УЧЁТ МНОГОЧАСТИЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ  J-АГРЕГАТАХ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ  В ЭТИХ СИСТЕМАХ

Веретенов Николай Александрович, Левинский Борис Нахимович, Нестеров Леонид Андреевич, Розанов Николай Николаевич, Федоров Сергей Васильевич, Файнберг Борис Д.

2014 , ТОМ 14, НОМЕР 5 ( сентябрь-октябрь )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

УДК 535.2

УЧЁТ МНОГОЧАСТИЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ J-АГРЕГАТАХ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЭТИХ СИСТЕМАХ

Веретенов Н.А., Левинский Б.Н., Нестеров Л.А., Розанов Н.Н., Федоров С.В., Файнберг Б.Д.

Читать статью полностью

Аннотация

В работе обобщаются материалы исследований, проведенных авторами за последние годы, и анализируются полученные результаты. Предметом статьи является учет многочастичных взаимодействий в резонансно-возбуждаемых лазерным излучением J-агрегатах. При таком рассмотрении принимаются во внимание не только парные взаимодействия, но и взаимодействия данной частицы с тремя и большим числом частиц одновременно. Среди проведенных исследований можно выделить три основных направления.
В рамках первого направления решалась задача вывода из первых принципов системы уравнений движения для молекул J-агрегатов с учетом многочастичных взаимодействий, а также парных корреляций между частицами. Вывод уравнений из первых принципов приводит в общем случае к системе взаимозацепляющихся уравнений для средних от произведения n операторов, относящихся к n разным молекулам системы. Поскольку от уравнения к уравнению n возрастает, то возникают проблемы, связанные с расцеплением этой системы, а также факторизацией средних наивысшего порядка. Отдельную и наиболее сложную задачу при этом представляет корректное вычисление релаксационных членов, возникающих при учете механизма экситон-экситонной аннигиляции. Первое направление конкретно связано с рассмотрением и решением всех вышеперечисленных задач.
В рамках второго направления на основе выведенных уравнений проводилось исследование бистабильности в рассматриваемых системах при конкретном учете трехчастичных взаимодействий. При этом основное внимание было уделено анализу однородных режимов в J-агрегатах. В частности, показано, что учет многочастичных вкладов сдвигает границу существования бистабильности в область меньших констант экситон-экситонной аннигиляции.
Наконец, третье направление исследований связано с анализом модуляционной неустойчивости для стационарных состояний J-агрегатов, рассмотренных и изученных при исследовании бистабильности в рамках второго направления. Проведено изучение границ областей устойчивости и неустойчивости и их сопоставление с границами существования бистабильности. Полученные результаты позволяют более надежно выделить область параметров, где могут наблюдаться существенно нелинейные эффекты, которые можно было бы использовать для создания схем молекулярной памяти и, в более широком контексте, для создания устройств оптической логики.

Ключевые слова: J-агрегаты, экситон-экситонная аннигиляция, диполь-дипольное взаимодействие, многочастичные взаимодействия, бистабильность, диссипативные солитоны, модуляционная неустойчивость

Благодарности. Представленные исследования поддержаны грантом РФФИ 13-02-00527-а, грантом Университета ИТМО 414656, а также при финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01).

Список литературы

1. De Boer S., Wiersma D.A. Dephasing-induced damping of superradiant emission in J-aggregates // Chemical Physics Letters. 1990. V. 165. N 1. P. 45–53.

2. Fidder H., Terpstra J., Wiersma D.A. Dynamics of Frenkel excitons in disordered molecular aggregates // Journal of Chemical Physics. 1991. V. 94. N 10. P. 6895–6907.

3. Fidder H., Knoester J., Wiersma D.A. Optical properties of disordered molecular aggregates: a numerical study // Journal of Chemical Physics. 1991. V. 95. N 11. P. 7880–7890.

4. Богданов В.А., Викторова E.H., Куля C.B., Спиро А.С. Нелинейная кубическая восприимчивость и дефазировка экситонных переходов в молекулярных агрегатах // Письма в ЖЭТФ. 1991. Т. 53. № 2. С. 100–103.

5. Wang Y. Resonant third-order optical nonlinearity of molecular aggregates with low-dimensional excitons // Journal of the Optical Society of America B. 1991. V. 8. N 5. P. 981–985.

6. Gadonas R., Feller K.-H., Pugzlys A. Wavelength dependent nonlinear optical properties of pseudoisocyanine J-aggregates // Optics Communications. 1994. V. 112. N 3–4. P. 157–162.

7. Spano F.C., Knoester J. Fermions on a Frenkel chain: nonlinear optical response of linear molecular aggregates / In: Advances in Magnetic and Optical Resonance. Ed. W.S. Warren. Academic Press, 1994. P. 117.

8. Knoester J., Spano F.C. Theory of pump-probe spectroscopy of molecular J-aggregates / In: J-Aggregates. Ed. T. Kobayashi. Singapore: World Scientific, 1996. P. 111–160.

9. Furuki M., Tian M., Sato Y., Pu L.S., Tatsuura S., Wada O. Terahertz demultiplexing by a single shot time to space conversion using a film of squarylium dye J-aggregates // Applied Physics Letters. 2000. V. 77. N 4. P. 472–474.

10. Авдеева В.И., Кучьянов А.С., Плеханов А.И., Соломинский Ю.Л., Толмачев А.И., Шапиро Б.И. Пас- сивная синхронизация мод Nd:YAG-лазера с насыщающимся поглотителем в виде тонкой желатино- вой пленки с J-агрегатами органического красителя // Квантовая электроника. 2003. Т. 33. № 6. С. 539– 541.

11. Malyshev V.A., Glaeske H., Feller K.-H. Optical bistable response of an open Frenkel chain: exciton-exciton annihilation and boundary effects // Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 1998. V. 58. N 1. P. 670–678.

12. Malyshev V.A., Moreno P. Mirrorless optical bistability of linear molecular aggregates // Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 1996. V. 53. N 1. P. 416–423.

13. Glaeske H., Malyshev V.A., Feller K.-H. Effects of higher exciton manifolds and exciton-exciton annihilation on optical bistable response of an ultrathin glassy film comprised of oriented linear Frenkel chains // Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2002. V. 65. N 3. P. 033821/1–033821/10.

14. Klugkist J.A., Malyshev V., Knoester J. Intrinsic optical bistability of thin films of linear molecular aggregates: the one-exciton approximation // Journal of Chemical Physics. 2007. V. 127. N 16. Art. 164705.

15. Klugkist J.A., Malyshev V., Knoester J. Intrinsic optical bistability of thin films of linear molecular aggregates: the two-exciton approximation // Journal of Chemical Physics. 2008. V. 128. N 8. Art. 084706.

16. Киселев Ал.С., Киселев Ан.С., Розанов Н.Н. Наноразмерные диссипативные дискретные солитоны в резонансно возбуждаемых молекулярных J-агрегатах // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 87. № 11–12. С. 763– 766.

17.Высотина Н.В., Малышев В.А., Маслов В.Г., Нестеров Л.А., Розанов Н.Н., Федоров С.В, Шацев А.Н. Моделирование взаимодействия ориентированных J-агрегатов с резонансным лазерным излучением // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109. № 1. С. 117–124.

18.Высотина Н.В., Розанов Н.Н., Федоров С.В., Шацев А.Н. Движение молекулярных диссипативных солитонов в ориентированных линейных J-агрегатах при наклонном падении возбуждающего лазер- ного излучения // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109. № 1. С. 125–127.

19. Rosanov N.N., Fedorov S.V., Shatsev A.N., Vyssotina N.V. Dissipative molecular solitons // European Physical Journal D. 2010. V. 59. N 1. P. 3–12.

20. Розанов Н.Н. Диссипативные оптические солитоны. От микро- к нано- и атто-. М.: Физматлит, 2011. 536 с.

21.Левинский Б.Н., Нестеров Л.А., Файнберг Б.Д., Розанов Н.Н. Вывод уравнений движения для резо- нансно возбуждаемых молекулярных J-агрегатов при учете многочастичных эффектов // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115. № 3. С. 464–479.

22. Нестеров Л.А., Федоров С.В., Розанов Н.Н., Левинский Б.Н., Файнберг Б.Д. Анализ бистабильности в молекулярных J-агрегатах при резонансном оптическом возбуждении с учетом многочастичных эф- фектов // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115. № 4. С. 572–580.

23. Веретенов Н.А., Нестеров Л.А., Розанов Н.Н., Федоров С.В. Модуляционная неустойчивость одно- родных режимов резонансного возбуждения молекулярных J-агрегатов // Оптика и спектроскопия. 2014. Т. 117. № 2. С. 267–274.

24. Sundström V., Gillbro T., Gadonas R.A., Piskarskas A. Annihilation of singlet excitons in J aggregates of pseudoisocyanine (PIC) studied by pico- and subpicosecond spectroscopy // The Journal of Chemical Physics. 1988. V. 89. N 5. P. 2754–2762.

25. Stiel H., Daehne S., Teuchner K. J-aggregates of pseudoisocyanine in solution: new data from nonlinear spectroscopy // Journal of Luminescence. 1988. V. 39. N 6. P. 351–357.

26. Gagel R., Gadonas R., Laubereau A. Evidence for biexcitons and dynamic Stark effect in J-aggregates from femtosecond spectroscopy // Chemical Physics Letters. 1994. V. 217. N 3. P. 228–233.

27. Minoshima K., Taiji M., Misawa K., Kobayashi T. Femtosecond nonlinear optical dynamics of excitons in Jaggregates // Chemical Physics Letters. 1994. V. 218. N 1–2. P. 67–72.

28. Van Burgel M., Wiersma D.A., K. Duppen. The dynamics of one-dimensional excitons in liquids // The Journal of Chemical Physics. 1995. V. 102. N 1. P. 20–33.

29. Gadonas R., Feller K.-H., Pugzlys A., Jonusauskas Q., Oberlé J., Rullière C. Wavelength and intensitydependent transient degenerate four-wave mixing in pseudoisocyanine J-aggregates // Journal of Chemical Physics. 1997. V. 106. N 20. P. 8374–8383.

30. Gaižauskas E., Feller K.-H., Gadonas R. Annihilation enhanced four-wave mixing in molecular aggregates // Optics Communications. 1995. V. 118. N 3–4. P. 360–366.

31. Malyshev V.A., Glaeske H., Feller K.-H. Effect of exciton-exciton annihilation on optical bistability of a linear molecular aggregate // Optics Communications. 1997. V. 140. N 1–3. P. 83–88.

32. Malyshev V.A., Glaeske H., Feller K.-H. Effect of exciton-exciton annihilation on optical bistability of onedimensional Frenkel excitons // Journal of Luminescence. 1998. V. 76–77. P. 455–459.

33. Malyshev V.A., Glaeske H., Feller K.-H. Exciton-exciton annihilation in linear molecular aggregates at low temperature // Chemical Physical Letters. 1999. V. 305. N 1–2. P. 117–122.

34. Malyshev V.A., Kozlov G.G., Glaeske H., Feller K.-H. Channels of the exciton-exciton annihilation in onedimensional aggregates at low temperature // Chemical Physical Letters. 2000. V. 254. N 1. P. 31–38.

35. Mukamel S., Abramavicius D. Many-body approaches for simulating coherent nonlinear spectroscopies of electronic and vibrational excitons // Chemical Reviews. 2004. V. 104. N 4. P. 2073–2098.

36. Renger T., May V., Kuhn O. Ultrafast excitation energy transfer dynamics in photosynthetic pigment-protein complexes // Physics Report. 2001. V. 343. N 3. P. 137–254.

37. Spano F., Mukamel S. Nonlinear susceptibilities of molecular aggregates: enhancement of (3) by size // Physical Review A. 1989. V. 40. N 10. P. 5783–5801.

38. Spano F.C., Mukamel S. Excitons in confined geometries: size scaling of nonlinear susceptibilities // The Journal of Chemical Physics. 1991. V. 95. N 10. P. 7526–7540.

39. Lemberg R.H. Radiation from an N-atom system. I. General formalism // Physical Review A. 1970. V. 2. N 3. P. 883–888.

40. Mukamel S. Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy. NY: Oxford University Press, 1995. 543 p.

41. Fainberg B.D., Jouravlev M., Nitzan A. Light-induced current in molecular tunneling junctions excited with intense shaped pulses // Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2007. V. 76. N 24. Art. 245329.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License